Моделирование информационных процессов

Методы и технологии моделирования

Технология – совокупность методов и инструментов для достижения желаемого результата; метод преобразования данного в необходимое; способ производства.

Метод (лат. methodus, от греч. methodos - "путь, следование, способ исследования") - в науке - способ достижения поставленной цели, предполагающий совокупность приемов и средств.

Рассмотрим известные технологии моделирования некоторых предметных областей.

Базы данных

Базы данных представляют связанную совокупность структурированных данных, относящихся к определенному процессу или явлению, в конкретной предметной области. Система управления базами данных представляет собой программный комплекс для создания, организации необходимой обработки, хранения и передачи баз данных. Ядром любой БД является модель представления данных. Модель данных представляет множество структур данных и взаимосвязи между ними. Различают иерархическую, сетевую и реляционнуюмодели данных.

Иерархическая модель представляет связи между объектами (данными) в виде дерева. К основным понятиям иерархической модели относятся:

- узел - набор атрибутов данных, описывающих объект;

- связь - линия, связывающая узлы нижнего уровня с одним узлом вышележащего уровня. При этом узел вышележащего уровня называют предком для соответствующих ему узлов нижнего уровня, в свою очередь, узлы нижнего уровня называют потомками связанного с ними вышележащего узла (например, на рисунке 5.2 узел В1 - предок для узлов С1, С2, а узлы С1, С2 - потомки узла В1);

- уровень - номер слоя узлов, отсчитанный от корня.

Рисунок 5.2 – Иерархическая модель данных

Количество деревьев в БД определяется числом корневых записей. К каждому узлу существует единственный путь от корня.

Сетевая структура имеет те же составляющие, что и иерархическая, но каждый узел может быть связан с любым другим узлом (рисунок 5.3). Сетевой подход к организации данных является расширением иерархического. В иерархических моделях запись-потомок должна иметь только одного предка; в сетевых - потомок может иметь любое число предков.

Рисунок 5.3 – Сетевая модель данных

Обе эти модели не получили широкого распространения из-за сложности реализации графов в виде машинных структур данных, кроме того, в них сложно осуществить операции поиска информации. Набольшее распространение получила третья модель данных — реляционная, она может так же описывать иерархическую и сетевую модель. Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц.

Искусственный интеллект

Идеи моделирования человеческого разума известны с древнейших времен. Впервые об этом упоминается в сочинении философа и теолога Раймунда Луллия (ок.1235 - ок.1315) «Великое искусство», который не только высказал идею логической машины для решения разнообразных задач, исходя из всеобщей классификации понятий (XIV в.), но и попытался ее реализовать. Рене Декарт (1596-1650) и Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716) независимо друг от друга развивали учение о прирожденной способности ума к познанию и всеобщих и необходимых истин логики и математики, работали над созданием универсального языка классификации всех знаний. Именно на этих идеях базируются теоретические основы создания искусственного интеллекта. Толчком к дальнейшему развитию модели человеческого мышления стало появление в 40-х гг. XX в. ЭВМ. В 1948 г. американский ученый Норберт Винер (1894-1964) сформулировал основные положения новой науки - кибернетики. В 1956 г. в Стенфордском университете (США) на семинаре под названием «Artificial intelligence» (искусственный интеллект), посвященном решению логических задач, признано новое научное направление, связанное с машинным моделированием человеческих интеллектуальных функций и названное искусственный интеллект. Вскоре эта отрасль разделилась на два основных направления: нейрокибернетику и кибернетику «черного ящика».

Нейрокибернетика обратилась к структуре человеческого мозга как единственно мыслящему объекту и занялась его аппаратным моделированием. Физиологи давно выявили нейроны — связанные друг с другом нервные клетки как основу мозга. Нейрокибернетика занимается созданием элементов, аналогичных нейронам, и их объединением в функционирующие системы, эти системы называют нейросетями. В середине 80-х гг. XX в. в Японии был создан первый нейрокомпьютер, моделирующий структуру человеческого мозга. Его основная область применения - распознавание образов.

Кибернетика «черного ящика» использует другие принципы, структура модели не главное, важна ее реакция на заданные входные данные, на выходе модель должна реагировать как человеческий мозг. Ученые этого направления занимаются разработкой алгоритмов решения интеллектуальных задач для имеющихся вычислительных систем. Наиболее значимые результаты:

- Модель лабиринтного поиска (конец 50-х гг.), в которой рассматривается граф состояний объекта и в нем происходит поиск оптимального пути от входных данных к результирующим. На практике эта модель не нашла широкого применения.

- Эвристическое программирование (начало 60-х гг.) разрабатывало стратегии действий на основе заранее известных заданных правил (эвристик). Эвристика — теоретически не обоснованное правило, позволяющее уменьшить количество переборов в поиске оптимального пути.

- Методы математической логики. Метод резолюций, позволяющий на основе определенных аксиом автоматически доказывать теоремы. В 1973 г. создан язык логического программирования Пролог, позволяющий обрабатывать символьную информацию.

С середины 70-х гг. реализуется идея моделирования конкретных знаний специалистов-экспертов. В США появляются первые экспертные системы. Возникает новая технология искусственного интеллекта, основанная на представлении и использовании знаний. С середины 80-х гг. искусственный интеллект коммерциализируется. Растут капиталовложения в эту отрасль, появляются промышленные экспертные системы, повышается интерес к самообучающимся системам.

Базы знаний

С точки зрения искусственного интеллекта знания определяют как формализованную информацию, на которую ссылаются в процессе логического вывода. Для хранения знаний используют базы знаний. База знаний- основа любой интеллектуальной системы.

С точки зрения решения задач в некоторой предметной области знания удобно разделить на две категории — факты и эвристику. Первая категория описывает известные в данной области обстоятельства, знания этой категории иногда называют текстовыми, подчеркивая их достаточное описание в литературе. Вторая категория знаний опирается на практический опыт специалиста-эксперта данной предметной области.

Кроме того, знания делят на процедурныеи декларативные. Исторически первыми появились процедурные знания, «рассыпанные» в алгоритмах. Они управляли данными. Для их изменения требовалось вносить изменения в программы. С развитием искусственного интеллекта все большая часть знаний формировалась в структурах данных: таблицах, списках, абстрактных типах данных, знания все больше становились декларативными.

Декларативные знания - это совокупность сведений о характеристиках свойств конкретных объектов, явлений или процессов, представленных в виде фактов и эвристик. Исторически такие знания накапливались в виде разнообразных справочников, с появлением ЭВМ приобрели форму баз данных. Декларативные знания часто называют просто данными, они хранятся в памяти информационной системы (ИС) так, что имеют непосредственный доступ для использования.

Процедурные знания хранятся в памяти ИС в виде описаний процедур, с помощью которых их можно получить. В виде процедурных знаний обычно описывают способы решения задач предметной области, различные инструкции, методики и т.п. Процедурные знания - это методы, алгоритмы, программы решения различных задач в выбранной предметной области, они составляют ядро базы знаний. Процедурные знания образуются в результате осуществления процедур над фактами как исходными данными.

Одной из наиболее важных проблем, характерных для систем искусственного интеллекта, является представление знаний. Форма представления знаний существенно влияет на характеристики и свойства системы. Для манипуляции различными знаниями реального мира на компьютере необходимо провести их моделирование. Существует множество моделей представления знаний для различных предметных областей, но большинство из них относятся к следующим классам: логические модели; продукционные модели; семантические сети; фреймовые модели.

Традиционно в представлении знаний выделяют формальные логические модели, основанные на классическом исчислении предикатов первого порядка, когда предметная область описывается в виде набора аксиом. Вся информация, необходимая для решения задач, рассматривается как совокупность правил и утверждений, которые представляются как формулы в некоторой логике предикатов. Знания отражают совокупность таких формул, а получение новых знаний сводится к реализации процедур логического вывода. Эта логическая модель применима в основном в исследовательских «идеальных» системах, так как предъявляет высокие требования и ограничения предметной области. В промышленных экспертных системах используются ее различные модификации и расширения.

Исследования процессов принятия решений человеком показали, что рассуждая и принимая решение, человек использует продукционные правила (от англ. production — правило вывода, порождающее правило). Продукционная модель, основанная на правилах, позволяет представить знания в виде предложений: ЕСЛИ (список условие), ТО (следует выполнить перечень действий). Условие -это предложение, по которому происходит поиск в базе знаний, а действие есть некоторая операция, выполняемая при успешно осуществленном поиске. Действия могут быть как промежуточными, выступающими далее как условия, так и целевыми, завершающими работу ИС. В продукционной модели база знаний состоит из совокупности правил. Программа, управляющая перебором правил, называется машиной вывода. Механизм выводов связывает знания и создает из их последовательности заключение. Вывод бывает прямой (метод сопоставления, от данных к поиску цели) или обратный (метод генерации гипотезы и ее проверки, от цели — к данным). Продукционная модель привлекает разработчиков наглядностью, модульностью, легкостью внесения дополнений и изменений, простотой механизма логического вывода, чаще всего используется в промышленных экспертных системах.

Семантика - это наука, исследующая свойства знаков и знаковых систем, их смысловую связь с реальными объектами. Семантическая сеть -это ориентированный граф, вершины которого есть понятия, а дуги — отношения между ними (рисунок 5.4). Это наиболее общая модель знаний, так как в ней имеются средства всех характерных для знаний свойств: внутренней интерпретации, структурированности, семантической метрики и активности.

Рисунок 5.4 – Семантическая сеть

Достоинствами сетевых моделей являются: большие выразительные возможности; наглядность системы знаний, представленной графически; близость структуры сети, представляющей систему знаний, семантической структуре фраз на естественном языке; соответствие современным представлениям об организации долговременной памяти человека. К недостаткам отнесят то, что сетевая модель не содержит ясного представления о структуре предметной области, которая ей соответствует, поэтому ее формирование и модификация затруднительны; сетевые модели представляют собой пассивные структуры, для их обработки используется специальный аппарат формального вывода. Проблема поиска решения в базе знаний типа семантической сети сводится к задаче поиска фрагмента сети, соответствующего некоторой подсети поставленной задачи, что, в свою очередь, говорит еще об одном недостатке модели — сложность поиска вывода на семантических сетях. Сетевые модели являются наглядным и достаточно универсальным средством представления знаний. Однако их формализация в конкретных моделях представления, использования и модификации знаний представляет достаточно трудоемкий процесс, особенно при наличии множественных отношений между понятиями.

Термин фрейм (от англ. frame - каркас, рамка) предложен для обозначения структуры единицы знаний, которую можно описать некоторой совокупностью понятий, для ее пространственного восприятия. Фрейм имеет определенную внутреннюю структуру, состоящую из совокупности элементов, называемых слотами. Каждый слот, в свою очередь, представляется определенной структурой данных, процедурой, или может быть связан с другим фреймом. Фреймовая модель представляет собой систематизированную в виде единой теории технологическую модель памяти человека и его сознания. В отличие от других моделей, во фреймах фиксируется жесткая структура. В общем случае фрейм определяется следующим образом:

{ИМЯ ФРЕЙМА: (имя 1-го слота: значение 1-го слота);

(имя 2-го слота: значение 2-го слота);

(имя N-ro слота: значение N-ro слота)}. Важным свойством фреймов является наследование свойств, заимствованное из теории семантических сетей. Наследование происходит по АКО-связям (от A Kind Of, что означает «эт.е.»). Слот АКО указывает на фрейм более высокого уровня иерархии, откуда неявно наследуется, т.е. переносятся значения аналогичных слотов. Например, в сети фреймов на рисунке 5.5 «конструктор» наследует свойства фреймов «инженер» и «человек», которые стоят на более высоком уровне иерархии.

Рисунок 5.5 – Сеть фреймов

Модель фрейма достаточно универсальна, позволяет отобразить все многообразие знаний о мире через:

- фреймы-структуры, для обозначения объектов и понятий (лекция, конспект, кафедра);

- фреймы-роли (студент, преподаватель, декан);

- фреймы-сценарии (сдача экзамена, празднование именин, получение стипендии);

- фреймы-ситуации (тревога, рабочий режим учебного дня) и др.

Основным преимуществом фреймов как модели представления знаний является их способность отражать концептуальную основу организации памяти человека, а также гибкость и наглядность. Обобщая анализ моделей представления знаний, можно сделать следующие выводы:

1) Нельзя дать универсальных рекомендаций по выбору модели. Этот выбор определяется возможностью и удобством представления исследуемой предметной области с учетом необходимости использования знаний.

2) Наиболее мощными являются смешанные модели представления знаний.

Экспертные системы

Предназначены для анализа данных, содержащихся в базах знаний, и выдачи рекомендаций по запросу пользователя. Используются в тех случаях, когда исходные данные хорошо формализуются, но для принятия решения требуются специальные обширные знания. Экспертные системы - это сложные программные комплексы, аккумулирующие знания специалистов в конкретных предметных областях и тиражирующие этот эмпирический опыт для консультаций менее квалифицированных пользователей. Предметные области: медицина, фармакология, химия, геология, экономика, юриспруденция и др., в которых большая часть знаний является личным опытом специалистов высокого уровня (экспертов), нуждаются в экспертных системах. Те области, где большая часть знаний представлена в виде коллективного опыта (например, высшая математика), не нуждаются в них. Экспертная система определяется набором логически взаимосвязанных правил, формирующих знания и опыт специалиста данной предметной области, и механизмом решения, позволяющим распознавать ситуацию, давать рекомендации к действию, ставить диагноз.

Современные экспертные системы способны:

- по совокупности признаков заболевания установить диагноз, назначить лечение, дозировать медикаменты, выработать программу курса лечения;

- выполнять задачи диагностических систем в исследовании явлений и процессов (например, для анализа крови; управления производством; изучения состояния недр земли, нефтяных полей, залежей угля и т.п.);

- распознавать речь, на данном этапе в ограниченной области применения;

- распознавать человеческие лица, отпечатки пальцев и др.

На рисунке 5.6 изображены основные компоненты модели экспертной системы: пользователь (специалист предметной области, для которого данная система предназначена), инженер по знаниям (специалист по искусственному интеллекту - промежуточное звено между экспертом и базой знаний), интерфейс пользователя (приложение, реализующее диалог пользователя и системы), база знаний -ядро экспертной системы, решатель (приложение, моделирующее рассуждения эксперта на основе имеющихся в базе знаний), подсистема разъяснения (приложение, позволяющее разъяснять на основании чего экспертная система дает рекомендации, делает выводы, какие знания при этом используются), интеллектуальный редактор базы знаний (приложение, дающее инженеру по знаниям возможность создания базы знаний в диалоговом режиме).

Характерной особенностью любой экспертной системы является способность к саморазвитию. Исходные данные хранятся в базе знаний в виде фактов, между которыми установлены определенные логические связи. Если при тестировании выявлены некорректные рекомендации или заключения по конкретным вопросам, либо заключение не может быть сформулировано, это означает, или отсутствие важных фактов в ее базе, или нарушения в логической системе связей. В любом случае система сама может сформировать достаточный набор вопросов к эксперту и автоматически повысить свое качество.

 

Рисунок 5.6 – Структура модели экспертной системы

Система управления

Представляет совокупность взаимосвязанных структурных моделей подсистем, осуществляющих следующие функции:

- планирование (стратегическое, тактическое, оперативное);

- учет - отображает состояние объекта управления в результате выполнения производственных процессов;

- контроль - определяет отклонение учетных данных от плановых целей и нормативов;

- оперативное управление - осуществляет регулирование всех процессов с целью исключения возникающих отклонений от плановых и учетных данных;

- анализ - определяет тенденцию в работе системы и резервы, которые учитываются при планировании на следующий временной период.

Использование моделей в составе информационных систем началось с применения статистических методов и методов финансового анализа, которые реализовывались командами обычных алгоритмических языков. Позже были созданы специальные языки, позволяющие моделировать различные ситуации. Такие языки дают возможность построения моделей определенного типа, обеспечивающих нахождение решения при гибком изменении переменных.

Моделирование информационных процессов

Любое ПО имеет свой жизненный цикл -период от начала проектирования и до его модернизации или замены более современной версией. Для инженерного подхода к проектированию ПО были предложены модели процесса его разработки. Первым по времени и наиболее популярным можно считать метод «водопада». Эта модель идеализирует процесс проектирования, предполагая, что каждый этап проекта (анализ предметной области, разработка требований и спецификаций к ИС, архитектурное проектирование, детальное проектирование, кодирование, тестирование) завершается до начала следующего и не осуществляется возврата к предыдущему этапу. Учитывая важность для дальнейшей разработки первых этапов проектирования, а стоимость исправления допущенных на этих этапах ошибок наиболее высокой, метод «водопада» был улучшен введением временных прототипов (рисунок 5.7).

Рисунок 5.7 – Метод «водопада» с введением временных прототипов

Еще одна модель жизненного цикла - спиральная модель управления рисками (рисунок 5.8). В этой модели жизненный цикл ПО не заканчивается, а продолжается его модернизация, на что и указывает спираль. Анализ рисков состоит в определении затрат, в случае ошибок, допущенных на первом этапе. Для снижения рисков предлагаются дополнительные работы, например создание временных прототипов.

Рисунок 5.8 – Спиральная модель

Один из наиболее популярных методов проектирования ПО - метод нисходящего проектирования, предполагающий последовательное разложение общей функции обработки данных на простые (для данного уровня) функциональные элементы. В результате получается иерархическая модель, отражающая состав и взаимоподчиненность отдельных функций. Эта схема носит название функциональной структуры алгоритма (ФСА) приложения. Недостатком ФСА является то, что каждый ее уровень является единым целым и не может разрабатываться параллельно группой разработчиков.

Следующий метод - модульное проектирование, предполагающий разбиение исходной функции обработки данных на ряд программных модулей, которые характеризуются следующими параметрами:

- один входной и один выходной поток данных;

- все операции, необходимые для преобразования входного потока в выходной, выполняются внутри модуля;

- результат работы модуля зависит только от входного потока и не зависит от работы других модулей.

Состав и вид программных модулей в значительной мере определяется инструментальными средствами разработки, например, для Access набор модулей может быть таким: экранные формы, отчеты, меню и т.д.

Оба эти метода относятся к стратегии проектирования ПО, получившей название структурное проектирование или проектирование на основе потоков данных, В этой стратегии не учитывались сущность и связи объектов предметной области. Для нее характерно преобразование входной информации в выходную способами, не учитывающими физическую сущность модели предметной области.

В начале 80-х гг. появился новый подход, который был основан на моделировании реального мира изнутри наружу, т.е., моделируя все элементы системы и связи между ними, получаем модель предметной области, преобразование информации в которой происходит так же, как и в реальной моделируемой системе. Этот подход был назван методом объектно-ориентированного проектирования (ООП). При ООП на первом этапе выявляются объекты реального мира, их свойства и действия, на следующих - эти объекты и их поведение отображаются на объекты программы.

Для любого метода проектирования ПО очень важным являются документирование и нотация, т.е. запись операций условным стандартизованным способом. Для структурного проектирования наиболее часто использовалась нотация схем алгоритмов. Для ООП в настоящее время используется нотация UML (Unified Modeling Language) - унифицированный язык моделирования, используя который в качестве нотации, можно моделировать информационные системы с помощью современных средств автоматизации программирования.

В начале 90-х гг. из всего множества языков объектно-ориентированного анализа и проектирования выделились три, наиболее часто используемых при разработке систем: Booch, созданный Грейди Бучем, OOSE (Object-Oriented Software Engineering), разработанный Айваром Джекобсоном, и ОМТ (Object Modeling Technique), автором которого является Джеймс Рамбо. Каждый из этих методов является вполне законченным языком ООП, однако метод ВООСН особенно удобен на этапах проектирования модели, OOSE — на этапе анализа и формулирования требований, а ОМТ — удобен при проектировании СУБД. Создание языка, объединяющего достоинства этих трех методов, началось в начале 1995 г., когда эти три автора объединили свои методы для создания унифицированного языка для фирмы Rational Software. В 1997 г. была принята версия UML 1.1, взятая на вооружение всеми компаниями — производителями систем автоматизированного проектирования. В 2001 г. появилась версия 2.0. В настоящее время идет утверждение UML в качестве стандарта ISO.

Многие продукты, реализующие CASE-технологии (Computer Aided Software Engineering — автоматизированное проектирование и создание программ), в настоящее время поддерживают нотацию UML. Такие пакеты, как Paradigm Plus, System Architect, Microsoft Visual Modeler, Delphi и др., поддерживают нотацию UML. Наиболее мощный пакет проектирования, разработанный компанией Rational Software — Rational Rose (RR), позволяет использовать при разработке все возможности языка UML.